有機太陽電池因輕、薄、柔及可溶液加工等優(yōu)點，在可穿戴和便攜式能源、建筑光伏一體化等領(lǐng)域頗具應用前景。目前，基于A-DA’D-A型小分子受體的高效有機太陽電池主要采用氯仿和氯苯等有毒的鹵素溶劑進行加工。當利用非鹵溶劑對有機太陽電池活性層進行加工時，小分子受體在成膜過程中會易形成過度聚集，從而產(chǎn)生大尺度的相分離，導致嚴重的電荷復合和顯著降低的器件效率，這限制了非鹵溶劑加工工藝的發(fā)展，阻礙了有機太陽電池的商業(yè)應用。因此，改善現(xiàn)有受體分子的聚集特性，使其在非鹵溶劑中具有合適的相分離尺寸，是當前提升非鹵溶劑加工有機太陽電池效率的關(guān)鍵。

近日，中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組基于A-DA’D-A型小分子受體ECOD合成了兩種乙烯基π橋連接位點異構(gòu)化的巨分子受體EV-i和EV-o（分子結(jié)構(gòu)見圖1），通過乙烯基π橋的不同連接位點調(diào)整了受體分子在非鹵溶劑中的聚集特性。乙烯基π橋與小分子受體結(jié)構(gòu)單元末端苯靠近羰基一側(cè)（朝內(nèi)）C位點連接合成的巨分子受體EV-i具有更為扭曲卻共軛性更強的分子結(jié)構(gòu)，而π橋單元與小分子受體末端苯靠近氰基單元一側(cè)（朝外）C位點連接制備得到的巨分子受體EV-o則表現(xiàn)出更好的平面性但共軛性變差。

在使用非鹵溶劑鄰二甲苯的加工過程中，巨分子受體EV-i扭曲的分子結(jié)構(gòu)使其與給體聚合物PM6共混后形成更為理想的給-受體相分離尺寸，再加上其增強的共軛性帶來的更高的吸光度和更高的載流子遷移率，使得基于PM6:EV-i的活性層具有增大的光子吸收和利用率以及減少的載流子復合，這利提升相應聚合物太陽電池器件的填充因子和短路電流，從而使基于PM6:EV-i的聚合物太陽電池實現(xiàn)了18.27%的高的光電轉(zhuǎn)化效率。同樣的條件下，由于小分子受體ECOD在鄰二甲苯處理加工的薄膜中過強的聚集，導致基于PM6: ECOD的聚合物太陽電池的效率只有16.40%。而巨分子受體EV-o較為平面的分子結(jié)構(gòu)在鄰二甲苯加工處理的薄膜中表現(xiàn)出過度的聚集，使得基于PM6:EV-o的活性層中給-受體相分離嚴重，導致相應光伏器件中存在嚴重的載流子復合。同時，EV-o較差的共軛性限制了相應光伏器件的光子吸收和載流子傳輸，導致基于PM6:EV-o的聚合物太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率僅為2.50%。

此外，巨分子受體EV-i還兼具小分子受體高分子化的聚合物受體（PSMA）成膜性好、穩(wěn)定性好、小分子受體確定的分子量和光伏性能批次重復性好的優(yōu)點，在將來的聚合物太陽電池大面積制備和商業(yè)化應用中具有重要應用前景。該工作首次使用了“巨分子受體”（Giant Molecule Acceptor，GMA）這一名稱，對于推動聚合物太陽電池受體光伏材料的發(fā)展具有重要意義。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應用化學》上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。

（a）小分子受體ECOD和巨分子受體EV-i和EV-o的分子結(jié)構(gòu)；（b）受體材料溶液和薄膜的吸收光譜；（c）聚合物太陽電池相關(guān)材料的電子能級。